El profesor McManus en la Estación Biológica La Selva (Heredia,Costa Rica). (Fuente original: galería fotográfica de Lon&Queta (http://www.flickr.com/photos/ lonqueta/with/4112791550/)).
Las selvas de Costa Rica son un lugar impresionante, donde la vida alcanza una diversidad y una exhuberancia difíciles de imaginar. He tenido la suerte de disfrutar de este entorno durante unos días, como puedes ver en la fotografía, y resulta realmente impactante. El color verde de la vegetación te rodea permanentemente y eso te hace pensar que, a veces, las características más simples de los seres vivos dan lugar a las preguntas más interesantes.
Cuestionarse por qué las plantas no absorben el color verde es una forma más interesante de plantear otra pregunta más corriente: ¿Por qué las plantas son verdes?.Ya sabes que la clorofila es la responsable de esta característica.
Cuando la luz solar (que es la suma de los diversos colores), incide sobre un objeto, algunos de esos colores son absorbidos y otros reflejados, de forma que vemos los objetos del color que no absorben. Seguro que también conoces que si vemos a las plantas de color verde es porque éstas (y en particular la clorofila) reflejan precisamente la luz de color verde.
El color de una sustancia te puede parecer un detalle casual, pero, ¿por qué una molécula cuya misión es absorber luz rechaza parte de esa energía? Te sorprenderá descubrir la importancia de este detalle para comprender mejor el proceso de la fotosíntesis y su relación con la luz.
Vayamos por partes y empecemos por la luz. La luz es algo que nos resulta tan familiar y cotidiano que cuesta trabajo imaginar lo difícil que resulta su comprensión y el esfuerzo que ha exigido a grandes científicos como Newton o Einstein.
La luz es una forma de energía electromagnética. Los rayos gamma, los rayos X, los rayos ultravioleta, los infrarrojos, las ondas de radio (sí, las mismas que te permiten escuchar o ver tu programa favorito), o las microondas de los hornos domésticos son otros tipos de energía electromagnética. Como habrás escuchado, la luz, (al igual el resto de radiaciones electromagnéticas) está formada por unas partículas llamadas fotones. Uno cae fácilmente en la tentación de imaginarse los fotones como microbolitas brillantes que se desplazan rápidamente formando los rayos de luz, pero los fotones no son unas partículas cualquiera.
Los fotones surgen cuando se producen movimientos de cargas eléctricas. Al ser producidos, cada uno de ellos se desplaza en una dirección determinada siempre a la misma velocidad y pueden hacerlo a través del vacío (a unos 300.000 km/s). Pero los fotones no son partículas de materia, no poseen masa, ni carga eléctrica, ni se puede estimar su tamaño. Los fotones son más bien paquetes indivisibles (cuantos) de energía, más que partículas materiales como las que estamos acostumbrados a manejar. A pesar de ello, cuando chocan contra algún objeto se comportan como si fueran partículas de materia: Transmiten su energía, se desvían y rebotan, exactamente a como lo harían, por ejemplo, bolas de billar.
Todos los fotones (sea cual sea el tipo de radiación electromagnética de la que hablamos) son exactamente iguales y se mueven a la misma velocidad. Quizá te preguntes: si los fotones de un microondas o de una emisora de radio son iguales a los de un rayo de luz y van igual de deprisa ¿cómo distinguimos una radiación de otra?
Hay una propiedad de los fotones que sí varía de unos a otros. Es una característica que ha dado multitud de quebraderos de cabeza a los científicos que han tratado de entender qué es exactamente la luz, y es que cada fotón, en su desplazamiento, tiene asociada una onda u oscilación de energía, lo que hace que la luz tenga una doble cara, como conjunto de partículas y como energía ondulatoria. Esta onda u oscilación de energía es diferente de unos fotones a otros.
La longitud de onda es la distancia entre dos crestas (puntos «altos») o dos valles (puntos «bajos») d ela onda. Se representa con la letra griega lambda.
Para diferenciar una onda de otra se suele usar la longitud de onda (que es la separación ente dos puntos equivalentes de la onda). La energía que corresponde a cada fotón depende de la longitud de onda asociada. Cuanto más pequeña sea la longitud de onda del fotón, mayor es la energía. Las longitudes de onda de los fotones son increíblemente variables (desde distancias microscópicas hasta kilométricas). Curiosamente, la longitud de onda de los fotones depende de la amplitud del movimiento de las cargas eléctricas que los generan. Bueno, vamos al grano.
Espectro de radiación electromagnética. Observa la posición de la luz (radiación visible) entre los distintos tipos de radiación electromagnética
Los fotones de luz visible poseen longitudes de onda realmente pequeñas, comprendidas entre los 400 y 700 nanometros (un nanómetro equivale a 0.000001 mm, es decir, un milímetro equivale a ¡un millón de nanometros!). Cuando estos fotones de luz pasan a través de las pupilas de nuestros ojos y llegan hasta la retina, ésta envía una señal al cerebro que al ser interpretada genera lo que llamamos visión. Lo curioso es que nuestra retina ( y nuestro cerebro) es capaz de diferenciar unos fotones de otros según su longitud de onda y en nuestra imagen visual estas diferencias de longitud de onda se representan como… ¡colores!. Si los fotones que entran en nuestros ojos tiene una longitud de onda de unos 700 nm veremos la imagen de color rojo, pero si son de unos 450 nm la veremos azul. Los fotones «azules» son más energéticos que los «rojos» porque su longitud de onda es menor. A cada color, por tanto, le corresponden fotones de una determinada longitud de onda y esta es una forma objetiva y útil que tiene los científicos de manejar la luz.
Y ahora, retomemos la fotosíntesis. Ya sabes que es un proceso complejo que engloba, a su vez, otros subprocesos sorprendentes. Uno de ellos es la capacidad de absorber energía lumniosa y transformarla en energía química. En este proceso, la clorofila juega un papel crucial porque es capaz de abosorber la energía de determinados fotones que llegan hasta ella y transmitirla a un sistema capaz de tansformarla en energía química. En realidad sería más correcto hablar de clorofilas, porque existe más de un tipo, cada una con ligeras diferencias de estructura y abosrción que puedes ver en la siguiente gráfica (para el caso d elas clorofilas a y b). No obstante, para simplificar me referiré a las diferentes clorofilas como si fueran una sola.
Radiación solar y fotosíntesis. Observa cómo la atmósfera filtra parte de la radiación solar que llega a la parte superior de la atmósfera de la Tierra (amarillo). A pesar del filtro, la luz visible es la parte más importante de la radiación que llega a la superficie de la Tierra (rojo). Comprueba también que la actividad fotosintética se ajusta precisamente a la radiación visible (aunque no por igual en todos los colores o longitudes de onda). Haz click para aumentar la imagen.)
Ahora bien, la clorofila sólo es capaz de absorber de forma eficiente fotones de luz y, en realidad, no todos. Hay un buen motivo para absorber precisamente la parte «visible» del espectro electromagnético: La luz visible junto con la infrarroja constituye la mayor parte de la radiación que llega a la superficie terrestre procedente del Sol. Algunos de los gases que componen la atmósfera como el ozono o el vapor de agua se encargan de absorber buena parte de la radiación fuera del espectro visible antes de que pueda tocar la superficie del planeta (Observa la gráfica de espectro de radiación solar)
Espectro de absorción de las clorofilas a y b (además de otros pigmentos como carotenos). Observa la diferente proporción de absorción según el color (longitud de onda) de la luz.
Pero aquí viene lo llamativo: La clorofila sólo absorbe fotones de unos colores y no de otros. En concreto, absorbe fotones «rojos» y «azules» sobre todo, pero no los «verdes» (Observa la gráfica superior). Los fotones «verdes» son reflejados por la clorfila y son los responsables del color que tienen las plantas. Esto significa que las plantas no absorben ni aprovechan una parte de la energía luminosa que llega hasta ellas.
La pregunta es inevitable: ¿porqué la Naturaleza no ha diseñado una molécula o un conjunto de ellas capaz de absorber y aprovechar para la fotosíntesis todo el espectro de colores? Los científicos argumentan que la respuesta está en el tipo de radiación que nos llega del Sol. La luz del Sol es muy rica en fotones rojos, menos de fotones verdes y menos aún de fotones «azules», pero los fotones «azules» son muy energéticos (para ser fotones de luz) y, por tanto, muy eficaces para «activar» la clorofila. Así pues, parece que, a lo largo de la evolución, las plantas han seleccionado los fotones rojos por su abundante número y los azules por su alta energía. En esta situación, los fotones verdes, que no destacan ni por ser los más abundantes en número, ni los más energéticos, han sido los grandes «perdedores» del proceso, dando lugar al color de las plantas.
Sin embargo, la respuesta no es del todo satisfactoria porque, sea como fuere, los fotones «verdes» podrían suponer un plus de energía para las plantas si pudieran ser absorbidos y aprovechados para la fotosíntesis. De hecho la cantidad de energía correspondiente a los fotones verdes que llegan a la superfcie terrestre es tan importante como la de los fotones rojos.
Es algo que siempre me ha intrigado y por eso quiero contar con tu ayuda para resolver las siguientes preguntas ¿Qué ocurriría si ilumináramos una planta con luz verde?¿De qué color serían las plantas si las moléculas captadoras de luz absorbieran también los fotones verdes además de los rojos y azules? ¿Qué ventajas e inconvenientes podrían tener plantas de este tipo (es decir, que absorbieran toda la gama de colores)?
Naturalmente, Ciencias 